车床高速主轴变频调速控制系统的设计研究

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808D数控车床电气控制系统设计说明书

摘要数控技术发展飞速的今天，数控技术在现代制造业发挥越来越重要的作用，数控机床是数控制造业的核心，本文主要介绍了对数控车床的电气系统设计的过程。

本设计以CK6140车床为载体，对其数控电气系统经行详细设计。

其内容包括强电设计、弱电设计、PLC输入输出及接口设计，本设计选用西门子808D数控系统。

最后绘制出整个机床的电气系统原理图等。

本设计给出了整个机床的原理图绘制过程，重点部分模块化，较详细地介绍了各个部分的功能及用途。

分为 380V强电回路，控制回路，PLC输入输出控制，主轴驱动模块和进给伺服驱动模块，并介绍了相关的电气知识。

通过本设计说明书可以基本上掌握数控车床的电气原理，以及基本的电气常识，使读者无论是从整体上还是各个模块中都能够了解到数控车床相关的一系列电气知识。

关键词：数控系统；数控车床；PLC控制1ABSTRACTThe numerical controls that the technique development fast today, the numerical controls technique at the modern manufacturing industry exertive more and more importance function, numerical control tool machine is number control a manufacturing industry of core, this text mainly introduced logarithms to control the processed that the electricity system of lather design.The design CK6140 lathe as the carrier, the detailed design of the its NC electrical system through the line. its contents includes a strong electrically design, weakness design, PLC importation output and Interface design. The design uses a Siemens 808D CNC system. Finally, to map out the whole machine electrical system schematic. This principle diagram which designs to the whole tool machine draws process and the point parts of mold piece turn and compared to in detail introduce each function and use of part. Is divided into the 380 Vs strong electricity back track, control back track, the PLC importation outputs a control, the principal axis drives a mold piece and enters to servo drive a mold piece, and introduced related electronic knowledge.Through this design system can basically control numerical control the electricity principle of lather, and basic electronic common sense, make the reader regardless can understand numerical control the lather related series of electricity knowledge from wholly the top still each mold piece.Key Words：NC system; NC lathe; PLC control2目录摘要------------------------------------------------------------------------------------------------------- 1 ABSTRACT ------------------------------------------------------------------------------------------- 2目录------------------------------------------------------------------------------------------------------ 3第一章绪论----------------------------------------------------------------------------------------- 61.1前言 ------------------------------------------------------------------------------------------ 61.2国外数控系统的发展趋势 ------------------------------------------------------------- 61.2.1新一代数控系统采用开放式体系结构 ------------------------------------ 61.2.2新一代数控系统控制性能大大提高---------------------------------------- 71.2.3数控系统向软数控方向发展 ------------------------------------------------- 71.3我国数控技术的发展-------------------------------------------------------------------- 81.4CK6140数控车床主简介 ---------------------------------------------------------------- 9第二章西门子808D数控车床系统 --------------------------------------------------------- 112.1 西门子808D系统简介 --------------------------------------------------------------- 112.2人机界面 ---------------------------------------------------------------------------------- 132.3进给系统 ---------------------------------------------------------------------------------- 132.4 主轴驱动系统--------------------------------------------------------------------------- 132.5刀架控制系统 --------------------------------------------------------------------------- 142.6电柜设计及电源选用------------------------------------------------------------------ 142.6.1在设计电柜时应注意以下事项：----------------------------------------- 142.6.2 24VDC电源选用---------------------------------------------------------------- 152.7数控系统各部分的连接及接口 ----------------------------------------------------- 152.7.1系统的接线---------------------------------------------------------------------- 152.7.2 接口布置 ------------------------------------------------------------------------ 15第三章CK6140数控车床的基本组成和工作原理 --------------------------------------- 173.1数控车床组成 --------------------------------------------------------------------------- 173.2数控车床工作原理 --------------------------------------------------------------------- 193.3 CK6140数控车床运动分析 ---------------------------------------------------------- 2033.4 CK6140数控车床电气系统简述 ---------------------------------------------------- 21第四章CK6140数控车床硬件系统设计及元件选型------------------------------------ 254.1主轴驱动系统 --------------------------------------------------------------------------- 254.1.1主轴电动机---------------------------------------------------------------------- 254.1.2主轴电动机选型 --------------------------------------------------------------- 254.2机床进给伺服系统 --------------------------------------------------------------------- 264.2.1 CK6140数控车床对伺服驱动进给系统的要求------------------------ 274.2.2 伺服电机的选型--------------------------------------------------------------- 284.3控制电路原理图设计------------------------------------------------------------------ 314.3.1 380V系统强电控制回路----------------------------------------------------- 314.3.2电源回路 ------------------------------------------------------------------------- 334.4常用电器元件的选型------------------------------------------------------------------ 344.4.1低压电器选型的一般原则 -------------------------------------------------- 344.4.2断路器的选型------------------------------------------------------------------- 344.4.3电动机保护用自动开关的选型 -------------------------------------------- 354.4.4 熔断器选型 --------------------------------------------------------------------- 354.4.5接触器的选型------------------------------------------------------------------- 354.4.6热继电器的选型 --------------------------------------------------------------- 364.4.7中间继电器---------------------------------------------------------------------- 364.5 CK6140数控车床控制面板 ---------------------------------------------------------- 37第五章PLC设计及参数设置------------------------------------------------------------------- 395.1 PLC的基本结构及工作原理 --------------------------------------------------------- 395.2 PLC与CNC机床的联接方式 -------------------------------------------------------- 405.3 CNC加工代码在PLC上的实现方法----------------------------------------------- 415.3.1 T功能代码的实现方法------------------------------------------------------- 425.3.2 M功能代码实现方法--------------------------------------------------------- 425.4 PLC程序的模块化设计---------------------------------------------------------------- 425.5 PLC输入输出地址分配---------------------------------------------------------------- 425.6参数设置 ---------------------------------------------------------------------------------- 4445.6.1 PLC参数设置-------------------------------------------------------------------- 445.6.2机床参数设置------------------------------------------------------------------- 45第六章结论--------------------------------------------------------------------------------------- 47致谢 -------------------------------------------------------------------------------------------------- 48参考文献 --------------------------------------------------------------------------------------------- 495第一章绪论1.1前言装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，机床制造业是一个国家的基本装备工业，是工业生产的技术基础，数控技术在给机床制造业带来显著经济效益及广阔发展前景的同时，也是发展新兴高新技术产业和尖端工业（如信息技术及其产业、航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备，因此它已成为衡量一个国家制造业水平的重要标志之一。

数控车床主轴速度控制

B．进给传动采用高效传动件
C．有较完善的刀具自动交换和管理系统
D．有工件自动交换、工件夹紧与放松机构
E．床身机架具有很高的动刚度和静刚度
F．采用全封闭罩壳
2.2 数控机床的基本工作过程
首先根据零件图样，结合加工工艺进行程序编制，然后通过键盘或者其它输入设备送入数控系统后再经过调试、修改，最后把它存储起来。加工时就按所编程序进行有关数字信息处理。一方面通过插补运算器进行加工轨迹运算处理，从而控制伺服系统驱动机床各坐标轴，使刀具与工件的相对位置按照被加工零件的形状轨迹进行运动，并通过位置检测回馈以确保其位移精度。另一方面按照加工要求，通过PLC控制主轴及其它辅助装置协调工作，如主轴变速、主轴齿轮换挡、适时进行ATC刀具自动交换、工件夹紧与放松、润滑系统的开停、切削液的开关，必要时超载或限位保护起作用，控制机床运动迅速停止。
3.2 数控车床主轴速度控制方式
3.2.1 主轴速度CNC控制方式
主轴速度CNC控制方式指，主轴的速度是由系统CNC加工程序的S码指定的速度值决定，可以通过机床面板上的主轴倍率开关进行修调（通常为50%~120%），这是数控机床通常的控制方式。
3.2.2 主轴速度的特殊S码控制方式
这种控制方式主要用于普通型数控车床的主轴速度控制，该类主轴传动控制方式为手动换挡（低、中和高速选择），以及电磁离合器配合双速电动机自动变速控制，在加工程序中通过S码（一般在每挡有四种S码速度选择）实施电磁离合器和双速电动机的控制。
随着技术的不断发展，机床结构有了很大的改进，从而对主轴系统提出了新的要求，而且因用途而异。在数控机床中，数控车床占42%，数控钻镗铣床占33%，数控磨床、冲床占23%，其它只占2%。为了满足现代数控机床对主轴驱动的更高要求，主轴电动机必须具备如下功能：

数控车床主轴组件监控系统的设计

数控车床主轴组件监控系统的设计【摘要】机械工业的生产水平是一个国家现代化建设水平的主要标志之一，机械工业肩负着为国民经济各个部门提供技术装备和促进技术改造的重要任务，在现代化建设的进程中起着主导和决定性的的作用。

因此，近些年来，数控机床被广泛的应用于我国的制造业，在国内工业发达的地区已经得到普及，由此对社会生产力的提高起着巨大的推动作用。

数控车床是数控机床中基本设备之一，随着制造业高效率、高精度、高柔性发展的需要，人们对数控车床提出了越来越高的要求，而主轴是数控车床的重要组成部分，主轴的运转状态的好坏关系到加工质量，随着检测技术和计算机技术的发展，通过用传感器对数控车床主轴的主要参数的测量，从而了解数控机床的运转状态，现用加速度传感器和磁电式转速传感器对数控车床主轴的振动与转速进行测量，将信号通过放大，滤波，采集等中间电路传输给Ａ／Ｄ转换器，通过转换器将模拟信号转换为数字信号，再将其通过单片机传输给计算机，观察计算机上的界面来了解数控车床主轴的运转状态。

【关键词】数控机床，数控车床，主轴，传感器，Ａ／Ｄ转换器，单片机CNC lathe spindle component monitoring system designLiu Le(Grade02,Class5,Major : Mechanical design and manufacturing and automation, Mechanical engineering department, Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723000，Shaanxi）Abstract: Mechanical industry production level is a national modernization level, the main mark of mechanical industry shouldering each department for national economy to provide technical equipment and promote technological transformation is an important task in the process of modernization, plays a decisive role in leading and. Therefore, in recent years, the CNC machine is widely applied in our manufacturing, industrial developed area in China, which has gained popularity of social productivity improvement plays a great role in promoting. CNC lathe is one of basic CNC equipment manufacturing, with high efficiency, high precision, high flexibility to the needs of the development of CNC lathe, people put forward higher request, and CNC lathe spindle is an important part of the operation state, good quality, with the relationship to processing and computer technology development, through the use of CNC lathe spindle sensor measurements of the main parameters, and understand the operation state, CNC using magnetoelectric sensor and the acceleration of CNC lathe spindle speed sensor measurements of vibration and rotational speed, the signal, filtering, acquisition by amplifying circuit transmission among such to the A/D converter, through the simulation signal converter will convert digital signal, the single-chip computer, transmission through observation on the computer interface to understand CNC lathe spindle operation condition.Key words：CNC machine, CNC lathe, spindle, sensor, A/D converter, SCM目录1.前言 (1)1.1数控机床的发展情况 (1)1.2问题的提出及解决方案 (2)2.数控车床 (3)2.1数控机床的工作原理、组成 (3)2.2数控车床的组成 (4)2.3数控车床的工作过程 (5)2.4数控车床的特点 (6)2.5数控车床的主轴部件的参数 (8)2.6测量量的选择 (9)3.传感器选择及信号处理 (11)3.1传感器的选择原则 (11)3.2传感器的选择 (13)3.2.1用加速度传感器测振动 (13)3.2.2用磁电式传感器测转速 (14)3.2.3用扭矩传感器测量扭矩 (15)3.2.4用电涡流位移传感器测量位移 (16)3.3信号的处理 (18)3.3.1信号的过滤 (18)3.3.2信号的放大 (18)3.4电路的设计 (19)3.4.1用加速度传感器测振动的电路 (19)3.4.2磁电式转速传感器测转速电路 (21)3.4.3用应变式扭矩传感器测扭矩电路 (21)4.接口电路的设计 (23)4.1A/D转换器 (23)4.1.1A/D转换器的工作原理 (23)4.1.2 A/D转换器的主要技术参数 (24)4.2 A/D转换器的选择 (25)4.2.1 ADC0809的内部结构 (26)4.2.2信号引脚 (27)4.3单片机的选择 (28)4.4 MCS-51单片机与ADC0809的接口的连接 (28)4.5通讯接口的选择 (29)5.实验测量 (30)5.1软件简介 (30)5.2测量实验 (30)5.2.1用加速度传感器测振动 (32)5.2.2用磁电式传感器测转速 (35)总结 ................................................................ .38 致谢. (39)参考文献 (40)1.前言1.1数控机床的发展情况工业技术的发展水平是衡量一个国家技术水平的重要标志之一，在一定程度上反映了该国的技术经济实力。

数控机床主轴驱动变频控制

数控机床主轴驱动变频控制一、前言数控机床是传统机床向智能化方向发展的结果，其操作简单、精度高、效率高等特点，使得其在现代制造业中大有用处。

数控机床中的主轴驱动控制是其中的一个重要环节，其精度和可靠性对整个机床的操作效果有着至关重要的作用。

本篇文档将主要介绍数控机床主轴驱动变频控制相关知识。

二、数控机床主轴驱动变频控制的原理数控机床的主轴驱动控制系统主要是由相关电气元件组成的变频器控制系统。

变频器就是将市电通过整流、滤波、逆变后输出一定的频率、电压并控制电机转速的电子装置。

在数控机床的主轴驱动系统中，变频器通过对电机控制进行电压和频率的调整，来实现主轴的旋转，进而控制其转速和输出功率。

变频器输出的频率、电压均可调整，因此可以通过控制变频器的输出，来实现对主轴的速度调节。

电气控制系统通过实时监测机床运行状态、主轴运行状态、机床速度、主轴转速等信息，根据预先设定的运转条件，通过控制变频器输出的电压、频率实现对机床的工作状态并实现对主轴的速度调节。

三、数控机床主轴驱动变频控制的优点与传统机床的主轴驱动方式相比，数控机床主轴驱动变频控制有诸多优点，主要体现在以下几个方面：1.可调性强：通过对变频器的控制，可以实现精确的主轴转速调节，可以满足不同需求的工件加工。

2.精度高：由于采用了电气控制系统，可以实现主轴转速的精确控制，进而实现加工精度的提高。

3.效率高：数控机床主轴驱动变频控制由于能够实现电气控制，减少了机械传动过程中的机械损耗，因此其效率远高于传统机床主轴驱动方式。

4.运转平稳：变频器可以调节输出电压和频率，可以进一步实现对主轴转速的控制，从而实现机床运转的平稳。

四、数控机床主轴驱动变频控制的应用数控机床主轴驱动变频控制技术的应用相当广泛，可以应用于各种数控机床类型，包括数控车床、数控加工中心、数控铣床等。

特别是在高速、高精度、高效率的加工应用中，其优势更加明显。

五、数控机床主轴驱动变频控制的维护和保养为了确保数控机床主轴驱动变频控制系统的长期稳定运行，必须进行日常的维护和保养。

西门子802S数控车床的变频主轴设计与调试

西门子802S数控车床变频主轴设计与调试摘要主轴运行的是否平稳直接影响数控车床加工的精度。

通过对西门子802S数控车床主轴的研究、分析，从而掌握数控应用系统设计的一般方法。

主轴控制系统由西门子802S数控系统、变频器和主轴电机组成，通过PLC控制主轴的正反转、CNC控制主轴的转速。

关键词：数控车床；主轴；西门子802SDesigning Spindle Control Systemfor a Siemens 802S CNC LatheAbstractWhether or not the smooth running of the spindle directly affects the accuracy of CNC lathe.T o grasp the general design method of CNC application system, the Spindle control system of Siemens CNC Lathe was researched and analyzed, which had Siemens 802S CNC system, inverter and the spindle motor, where PLC controlling the direction, and CNC controlling the speed.Keywords: CNC Lathe；Spindle；Siemens 802S system目录引言 (2)第一章数控系统的介绍 (3)1.1 数控系统发展简史 (3)1.1.1 数控NC阶段 (3)1.1.2 计算机数控(CNC)阶段 (3)1.2 数控技术未来发展方向 (4)1.2.1 向开放式、基于PC的第六代方向发展 (4)1.2.2 向高速化和高精度化发展 (4)1.2.3 向智能化方向发展 (4)第二章西门子802S数控车床系统 (6)2.1 西门子802S的系统 (6)2.2 人机界面 (7)2.3 步进进给系统 (8)2.4 主轴驱动系统 (8)2.5 刀架控制系统 (9)第三章西门子802S数控车床主轴的设计 (10)3.1 设计方案 (10)3.2 变频器MICROMASTER 420 (11)3.2.1 变频器的选型 (11)3.2.2 变频器的接口 (12)3.2.3 变频器的主要参数设置 (12)3.4 控制电路的设计 (12)3.5 西门子802S的主轴参数调试 (13)第四章 PLC程序设计 (15)4.1 PLC控制流程图 (15)4.2 PLC的I/O分配 (16)4.3 PLC的部分参数设定 (18)致谢............................................................ 错误！未定义书签。

列出机床调速的三种形式及应用范围

机床调速是指根据加工件的特性和工艺要求，通过调节主轴转速来实现适合加工要求的材料去除率。

在机械加工中，机床的调速方式主要有以下几种形式，它们各自有着不同的应用范围。

一、机床调速的三种形式1. 机床变频调速机床的变频调速是指通过改变电机的输入频率，来调节主轴的转速。

在这种调速方式下，电机的输出功率与转速呈线性关系，也就是说，只要改变输入的电压和频率，就可以实现主轴转速的调节。

变频调速具有调速范围广、精度高、动态性能好的特点。

2. 机床变速箱调速机床的变速箱调速是通过机械传动方式，通过改变齿轮传动比来调节主轴的转速。

这种调速方式在传动装置中增加了一定的传动机构，可以通过切换齿轮的组合，从而实现主轴转速的调节。

变速箱调速适用于对转速精度和动态性能要求不高的场合。

3. 机床液压调速机床的液压调速是通过改变液压传动系统的工作状态，来调节主轴的转速。

在液压调速系统中，通过控制油液的流量和压力，可以实现主轴转速的调节。

液压调速适用于对转速精度和动态性能要求较高的场合。

二、各种调速形式的应用范围1. 机床变频调速的应用范围机床的变频调速适用于对转速精度和动态性能要求较高的场合。

精密车床、数控机床等对主轴转速要求较高的加工设备中，常采用变频调速方式，以满足不同加工要求。

2. 机床变速箱调速的应用范围机床的变速箱调速适用于对转速精度和动态性能要求不高的场合。

一些普通车床、铣床等传统机床中，常采用变速箱调速方式，以满足一般加工需求。

3. 机床液压调速的应用范围机床的液压调速适用于对转速精度和动态性能要求较高的场合。

大型数控机床、高速切削机床等高精度加工设备中，常采用液压调速方式，以满足高精度加工要求。

三、总结在机床加工过程中，不同的加工要求需要不同的主轴转速，而机床的调速方式也是多种多样的。

变频调速适用于对转速精度和动态性能要求较高的场合，变速箱调速适用于一般加工需求，而液压调速则适用于高精度加工要求。

只有根据实际加工需求，选择合适的调速方式，才能更好地满足不同加工要求。

数控车床实验系统的主轴变频调速系统设计分析

ＳｉｄｅｖｒａｌｐｅｙｔｍｅｉｎａｄａａｙｉｏｐｎｌａｉｂｅｓｅｄｓｓｅｄｓｇｎｎｌｓｓｆｒＣＮＣａｈｅｅｐｒｍｅｔｓｓｅｌｔｘｅｉｎｙｔｍ
Ａｂｔａｔｓｒｃ：Ｍａｎｙｆｒｈｅｎｆｄｓｇｉｇｈｇ — ｃｕａｙ，ａｔｅｐｎｅＣＮＣｌｔｅｓｉｄｅｖｒｂｅｓｅｄｓｓｅｉｌｏｅｄｍａｄｏｅｉｎｎｉｈａｃｒｃｆｓ— ｓｏｓｔｒａｈｐｎｌａａｌｐｅｙｔｍ，ａｓｅｄｃｎｒｌｒｐｓｉｐｅｏｔｏｐｏｏ — ａｆｆｔｇｆｑｅｃｔｒａｄｔｎｄｃｒｔｇｔｅｓｒｉｄｖａａａｙｉｇｔｅｂｓｒｎｉｌｓａｄｆｑｅｃｆｔｅｖｒｂｅｆｅｕｎｙｌｏｔｎｅｕｎｙｍｏｏｎｒｓｕｅｏｅｈｒｗａａｓｉｎｌｚｎｈａｉｐｃｐｅｎｅｕｎｙｏｈａａｌｒｑｅｃｉｉｒａｅｃｉｒｉｓｅｄｃｎｒ１ｐｅｏｔ．ＡｃｏｄｎｏｔｅＣＮａｈｘｅｍｅｔｌｓｓｅｏｅａｉｇｃｎｉｏｓｈａｈｕｔｇｆｒｅａｄｓｉｄｅｍｏｏｏｅｒｏｃｒｉｇｔｈＣｌｔｅｅｐｒｎａｙｔｍｐｒｔｏｄｔｎ，ｔｅｌｔｅｃｔｎｏｃｎｐｎｌｔｒｐｗｒｗｅｅｉｎｉｉ

基于变频器的经济型数控车床主轴控制系统设计及参数设置

94科技资讯科技资讯SCIENCE& TECHNOLOGY INFORMATION2010NO.14SCIENCE& TECHNOLOGY INFORMATION工业技术随着现代机械制造业水平的发展,数控机床普及率日益提高。

数控车床是数控机床的主要品种之一,它在数控机床中占有非常重要的位置,一直受到世界各国的普遍重视, 并得到了迅速的发展。

主轴是车床构成中一个重要的部分,其功率消耗约占机床总功率70%~80%,其性能直接影响到机床的加工效率、加工材料范围、加工质量等。

数控系统需要控制主轴的转速、位置,通常系统的标准配置为数字主轴, 具有控制精度高,动态响应好的特点。

但在主轴功率不大,对控制精度和动态响应要求不是很高的情况下,数字主轴就显得成本太高。

这时可以采用数控系统的模拟主轴功能。

模拟主轴就是数控系统输出模拟电压信号,采用普通的交流变频器和交流变频电机来实现主轴控制,由于性价比高,在经济型数控机床中广泛应用。

1变频调速基本原理由异步电机理论可知,主轴电机的转速公式为:n=(60f/p×(1-s其中P为电动机的极对数,s 为转差率, f 为电源的频率,n为电动机的转速从上式可看出,电机转速与频率成正比,改变频率即可以平滑地调节电机转速。

变频器主电路如上图1所示。

主电路的功能是把固定频率为50Hz交流电转换为频率连续可调的三相交流电, 主要包括交-直电路、制动单元电路及直-交电路。

交-直电路中,三相交流电源通过变频器的电源接线端(R、S、T输入到变频器内,利用整流器VS把交流电转换为直流电。

当电容CF 电压达到基准值时, 辅助电源动作,输出直流控制电压。

直流继电器MCC获电, 常开触点闭合,限流电阻RF 被短路,完成交-直电路转换。

直-交电路中,由VS转换的直流电压经过短路保护熔断器F1加到逆变模块VT, 再通过SPWM 正弦波脉宽调制驱动电路控制VT输出频率可调的三相调制波Ua、Ub 、Uc(如图2所示至U 、V、W 端子。

车床主轴系统的优化设计

ｐｒｏｍａｃｉｈｓｅｄａｄｌｓｅｔｄｓｉｄｅｓｅｄｃｕｄｂｎｒａｅｙｍｏｈｎ３％．Ｔｅｅｏｅｒｄｃｉｎａｄｅｒｎｅｏｈｓ－ｐｅｎｅｓｈａｐｎｌｐｅｏｌｅｉｃｅｓｄｂｒｔａ０ｆｆｎａｅｈｒｆｒ，ｐｏｕｔｏｎｐｒｈｓｎＯｔｏｌｅｓｂｔｎｉｌｅｕｅ．ｕｃａｉｇＣＳｕｄｂｕｓａｔｌｒｄｃｄｃａｙＫｅｒｓ：ｂｄｒｃｉｎｈｕｈａｇｅｃｎａｔａｅｔｇｉｈｓｅｄｙｗｏｄｉｉｔａｔｒｓｎｌ－ｏｔｃｌｂａｎ；ｈｇｐｅ；ｍａｈｎｏｌｅｏｌｂｌｉｃｉｅｔｏ
Ｔｒｕｈｒａｘｅｍｅｔｔｅｅｓｔａｎｃｓｆｓｍｅｔｍｐｒｔｒｓｐｎｌ，ｔｉｐｎｅｓｓｍａｒｘｅｅｔｈｏｇｅｌｅｐｒｎ，ｉｒｖａｈｔｉａｅｏａｅｅａｕｅｒｅｏｓｉｄｅｈｓｓｉｄｙｔｈｓｍｏｅｅｅＵｎｉｌｉｆｌｅ
经验交流・来自机械研究与应用・
车床主轴系统的优化设计
张海强
（天水星火机床有限责任公司，肃天水甘７１２）４０４
摘
要：重点介绍了高速机床主轴轴承配置形式的改变，过实际的试验，通在相同的主轴温升情况下，主轴系统具有
２两种主轴支撑的比较

车床主轴系统的优化设计

・
４・８
陕西科技大学学报
第２９卷
的结构参数分别为：径Ｄ１６外 — ６ｍｍ，Ｄ一Ｄ。７：０ｍｍ，一Ｄ１０ｍｍ，０单元长度Ｌ —１０ｍｍ，２３ｍｍ，３７ｍｍ，４１２Ｌ —４Ｌ —７Ｌ —
－
ｅ一 —
△
２０ｍｍ，４其余参数见表１结点６作用集中力Ｐ＝１１结．３６０Ｎ，点８用集中力Ｐ２３９０Ｎ和弯矩Ｍ一３５０９・该作 —１８５．２Ｎｍ．
车床主轴系统的优化设计
赵月娥。，文怀兴
（．西工业职业技术学院机械工程学院，陕西咸阳７２０；．西科技大学机电工程学院，西西安１陕１００２陕陕７０２）１０１
摘要：车床主轴的设计计算中，者利用ＡＮＳ在作ＹＳ软件对主轴结构进行了有限元分析，以
情况下可将其略去，只考虑支撑刚度．内径ｄ为一常量，ｄ一３Ｔ设计要求为：轴的外伸端点挠度ｎ５１ｍ．ｉ主
不超过给定值００．７ｍｍ，轴结构的第一个固有频率厂不低于给定值４０Ｈｚ主轴最粗段两支点的跨距主０，
关键词：限元分析；主轴；化设计有优
中图法分类号：Ｇ６９Ｔ５文献标识码：Ａ
０引言
现代机床不断向高速度、高精度和高刚度的方向发展，结构日趋复杂，其对其工作性能的要求也越来越高．主轴系统是机床的关键部件，而既要求高精度，又要求高刚度．主轴的前端部位安装工件或刀具直接

毕业论文 CA6140车床主传动系统设计

二、本选题在国内外的研究现状和发展趋势
机床设计和制造的发展速度是很快的。由原先的只为满足加工成形而要求刀具与工件间的某些相对运动关系和零件的一定强度和刚度，发展至今日的高度科学技术成果综合应用的现代机床的设计，也包括计算机辅助设计（CAD）的应用。但目前机床主轴变速箱的设计还是以经验或类比为基础的传统（经验）设计方法。因此，探索科学理论的应用，科学地分析的处理经验，数据和资料，既能提高机床设计和制造水平，也将促进设计方法的现代化。
随着科学技术的不断发展，机械产品日趋精密、复杂，改型也日益频繁，对机床的性能、精度、自动化程度等提出了越来越高的要求。机械加工工艺过程自动化是实现上述要求的重要技术措施之一，不仅能提高产品质量和生产率，降低生产成本，还能改善工人的劳动
条件。为此，许多企采用自动机床、组合机床和专用机床组成自动或半自动生产线。但是，采用这种自动、高效的设备，需要很大的初期投资以及较长的生产准备周期，只有在大批量的生产条件（如汽车、拖拉机、家用电器等工业主要零件的生产）下、才会有显著的经济效益。
XXXXXXXXX
指导教师
XXX
职称
教授
计划完成时间：2012年4月20日
毕业论文（设计）的进度计划：
2011.11-2012.02：整理和查询资料并完成开题报告，写出论文提纲；
2012.02-2012.03：整理资料，结合所学知识，依据修改的提纲撰写论文初稿；
2012.03-2012.04：在初稿基础上修改论文，撰写论文第二稿；
xxxx毕业论文（设计）开题报告书
2011年 11月 10 日
院（系）
机电工程系
专业
机械设计制造及其自动化
姓名
xxx
学号
xxxxxxxxxx

数控车床主传动系统的设计资料

数控车床主传动系统的设计资料1.传动方式：数控车床的主传动系统主要采用齿轮传动、皮带传动或蜗杆传动等方式实现。

齿轮传动具有传动效率高、传动比稳定等特点，适合数控车床的高精度加工。

皮带传动具有传动平稳、减震降噪等特点，适合一些对噪音要求较高的场合。

蜗杆传动则适用于需要大扭矩输出和自锁性能的情况。

2.主轴转速范围：数控车床的主传动系统需要设计具有较宽的主轴转速范围，以满足不同加工需求。

主轴转速范围的设计取决于工件材料的加工硬度、所需表面光洁度和所使用的刀具类型等因素。

通常情况下，数控车床的主轴转速范围可以从几十转/分钟到上万转/分钟。

3.主轴扭矩输出：数控车床主传动系统需要设计具有较大的主轴扭矩输出，以满足加工过程中的切削力需求。

主轴扭矩输出的设计取决于工件材料的加工硬度、切削类型和所使用的刀具等因素。

通常情况下，数控车床主轴扭矩输出可以达到几百牛·米以上。

4.切削力平衡：数控车床主传动系统需要设计具有良好的切削力平衡性能，以保证加工过程中的稳定性和精度。

切削力平衡的设计需要考虑主轴和工件的质量平衡、刀具的质量和刀具夹持方式等因素。

同时，还需要考虑冷却液的引入和排出，以保证加工过程中的冷却和润滑效果。

5.变速机构：6.轴向和径向刚度：数控车床主传动系统需要设计具有良好的轴向和径向刚度，以保证加工过程中的稳定性和精度。

轴向刚度的设计需要考虑主轴和工件的支撑形式和支撑点，径向刚度的设计需要考虑主轴轴承的选择和安装方式等因素。

同时，还需要考虑刀具切削力对主传动系统的影响。

7.自动换刀装置：总之，数控车床主传动系统的设计需要考虑传动方式、主轴转速范围、主轴扭矩输出、切削力平衡、变速机构、轴向和径向刚度以及自动换刀装置等因素，以实现高精度、高效率和可靠性的加工过程。

同时，还需要根据具体的加工需求和预算限制，选择合适的设计方案和关键部件。

C7620车床主传动系统设计说明书 2.

本次设计为C7620型卡盘多刀半自动车床的主轴箱设计。

该车床是用于加工盘套类零件的高效率机床，主传动采用双速电机，结构简单。

首先根据本次设计的主要参数进行机床转速的确定，拟定传动方案，确定出主轴箱的转速图和变速传动系统图。

选定齿轮的齿数，通过验算主轴的转速误差是否在误差值的允许范围内，从而确定设计的齿轮是否达到设计要求。

根据《机床设计手册》和已经确定的主轴箱转速图，计算主轴、各传动轴以及各齿轮的计算转速，进而确定齿轮的模数和材料，完成齿轮的设计。

注意到本次设计中双速电机的特点，根据主动带轮传递的功率选择三角胶带的型号，确定胶带长度以及根数等，进一步计算传动轴和主轴的轴径，选择花键的型号，完成皮带和各个轴的设计，至此完成车床主轴箱内主要零件的设计。

针对齿轮的模数以及传动轴（中轴）的刚度和强度、轴承寿命等进行校核验算，达到合格后即初步完成了车床主轴箱的整体设计。

利用Solidworks三维软件对主轴箱进行三维建模,可以更好的检验主轴箱内齿轮传动是否干涉,最终生成爆炸图。

关键词:主轴箱齿轮轴三角胶带The design for the z5140-type multi-tool semi-automatic lathe chuck spindle box design.The lathe is a disc sets of parts for processing high-efficiency machines, the main drive with dual-speed motor, simple structure. First, according to the design of the main parameters of the machine speed identification, formulation transmission scheme, determine the speed of the spindle box diagram and transmission system diagram. Selected gear teeth, the spindle speed error by checking whether the error value within the allowable range, the design of the gears to determine the design requirements. According to "Machine Design Manual" and have been identified Headstock speed graph, calculate the spindle, the shaft and the gear calculation speed, and to determine the modulus gear and materials to complete the design of gears. Noting this design features two-speed motor, according to the power delivered by the drive pulley choice triangle tape models, to determine the tape length, and number of roots, etc., further calculations shaft and the spindle shaft, select the spline model, complete belts and the design of each axis, thus completing the main parts lathe headstock design.Modulus as well as for the gear shaft (axis) of the stiffness and strength, bearing life, etc. check checking, reached after passing the initial completion of the overall design of lathe headstock.The use of three-dimensional software Solidworks headstockthree-dimensional modeling, you can better examine whether the interference geared headstock, the resulting explosion diagram.Keywords: triangle tape headstock gear shaft目录绪论 (1)1. 主动参数的确定 (2)1.1确定传动公比 (2)1.2主电动机的选择 (2)2.车床的规格 (3)3.变速结构的设计 (4)3.1确定变速组及各变速组中变速副的数目 (4)3.2结构式的确定 (4)3.3各变速组的变速范围及极限传动比 (4)3.4确定各轴的转速 (5)3.5绘制转速图 (6)3.6确定各变速组变速副齿数 (6)3.7绘制变速系统图 (8)4.结构设计 (9)4.1 结构设计的内容、技术要求和方案 (9)4.2 展开图及其布置 (9)4.3 I轴（输入轴）的设计 (9)4.4 齿轮块设计 (10)4.5 传动轴的设计 (11)4.6 主轴组件设计 (12)4.6.1 各部分尺寸的选择 (12)4.6.2 主轴材料和热处理 (13)4.6.3 主轴轴承 (13)4.6.4 主轴与齿轮的连接 (14)4.6.5 润滑与密封 (15)4.6.6 其他问题 (15)5.传动件的设计 (16)5.1带轮的设计 (16)5.2带轮结构设计 (17)5.3传动轴的直径估算 (19)5.4键的选择 (19)5.5齿轮模数的确定 (20)5.6确定各轴间的中心距 (23)5.7齿轮的设计 (23)6.齿轮校核 (24)6.1齿轮强度校核 (24)6.1.1校核a组齿轮 (24)6.1.2 校核b组齿轮 (25)7.传动轴刚度校核 (27)7.1核算其装齿轮处产生的挠度和倾角 (27)7.2核算轴承处转角 (29)8.轴承的选用和校核 (32)8.1各轴轴承的选用的型号 (32)8.2轴承寿命计算 (32)9.三维建模 (34)谢辞 (41)参考文献 (42)绪论C7620卡盘多刀半自动车床是一种以加工盘类零件为主的高效率机床,该机床配有前后两个刀架,能对零件进行端面、外圆、内孔及斜锥等多种工序的加工。

变频器在车床主轴控制系统中的应用

经成为目前市场上一支强大的生力军。
台达Ｍ系列变频器性能简介
Ｍ系列变频器能满足数控机床对主传动系统无级变速的需求，其主要特点是：体积小，属于 ” 迷你 ”型产品．占用控制柜空间较小；控制方式为正弦波ＳＷＭ（供速度反馈矢量控Ｐ提
继电器．中间继电器的常开接点接入变频器ＭＯＧＤ／Ｎ
或者Ｍ１ＧＤ．从而控制车床主轴的正反转。／Ｎ１２．控制系统参数调试在参数调整过程中，应当注意：Ｐ０参数．选择０
一
从表１和表２可以看出在恒转矩输出的频率段（—５Ｈ）００ｚ．矢量控制的空载电流几乎只有ＶＦ控制的半，负载时电流也比Ｖ小一些；而且负载切削时，Ｆ
带传动和主轴箱内的减速齿轮（以获得更大的转矩）带动主轴旋转。由于主轴
电机调速范围广．又可无级调速．使主轴箱的结构大为简化。由于变频器的高性价比．所以变频器在车床上使用非常普遍。台达Ｍ系列变频器以其独特的性能和优越的性价比．在数控机床的应用方面迅速崛起．已
制），控制性能较ＶＦ控制方式有很大改善．特别是在低速转矩
上满足机床主轴的需求，５Ｚ时起动转矩能够达到１０以上；Ｈ％５
载波频率范围０１ｋｚ－Ｈ．噪音小；提供标准的０Ｖ模拟量接口５－１Ｏ
（输入阻抗４Ｋｈ７ｏｍ，输出阻抗２０ｏｍ）５Ｋｈ，能够与大多数数控系

基于变频与PLC控制的车床主轴数控系统设计

气控制系统和软件系统两部分。数控系统能控制主轴启停、转速、方向、过载和报警等；刀架能根据加工需要自动转位换刀；车床主轴数控系统设计原理图如图１示。所
华中
数控系统
图１主轴数控系统设计原理图
１车床主轴数控化设计总体方案
目前国内的数控系统大型的有ＳＥＮＳ数控ＩＭＥ
系统、中型的有ＦＮＵＣ数控系统、中小型的有三Ａ
菱数控系统等，些数控系统价格都在５元以上，这万属于高精度的闭环或半闭环控制方式。通过对加工
Ｃ１０床加工要求可选择ＦＦ４．．ＫＨ三菱变６４车Ｒ７０７５ｃ频器，适配７５．ＫＷ的三相交流调速电机；为了实现较好的低速大转矩特性，采用分档无级变频调速，即在精密加工的时候可选择低速机械档位和高速机械档位，然后再通过变频器来调速；主轴运动由主
主轴进行以变频技术与ＰＣ控制技术为主的数控系Ｌ
统设计。
２主轴数控系统设计总体方案
２１主轴变频器、电机与卡盘的选择．
为了提高车床的自动化程度，主轴采用变频调速，进行半闭环控制，根据机械部分的设计计算与
ｆｅｕｎｙｃｖｒｉｎａＣｏｔｏＩｒｑｅｃｏｎｅｓｏｎｄＰＬｃｎｒ
欧洲，张晓东，田先亮

数控车床毕业论文设计

数控车床毕业论文摘要数控车床不仅能够车外圆还能用于镗孔、车端面、钻孔与铰孔。

与其他种类的机床相比，车床在生产中使用最广.本论文首先介绍了我国数控机床发展的过程与现状,并分析了其存在的问题;对数控机床的发展趋势进行了探讨；并对JＩFCＮC-Ｂ数控车床主轴箱传动系统进行了设计与计算。

主轴箱有安装在精密轴承中的空心主轴和一系列变速齿轮组成.数控车床主轴可以获得在调速范围内的任意速度，以满足加工切削要求。

目前,数控车床的发展趋势是通过电气与机械装置进行无级变速。

变频电机通过带传动和变速齿轮为主轴提供动力。

通常变频电机调速范围3-5,难以满足主轴变速要求;串联变速齿轮则扩大了齿轮的变速范围。

本设计将原来的带轮不卸荷结构变为了带轮卸荷结构,使输入轴在带处只受转矩,将轴上的径向力传动到车床机体上,改善了输入轴的受力情况，.关键词：主轴箱,无级调速，传动系统AｂstractＮC lathｅcａnｄoｂorinｇ, faｃing，drillinｇand Rｅaming in adｄiｔｉon toｔurniｎg.The use of lathes in the ｐroducｔｉｏn thaｎthｅｏther typｅsｏf machineｔooｌs anｄmore. Aｎd compａred ｔo other ｔｙpeｓof macｈine ｔoｏls，laｔｈeｓｉｎｔhe prｏｄuｃｔion is thｅｍost widely ｕsｅd。

Iｎtｈis desｉgn，ｔhe developmenｔaｎｄcurrent ｓituaｔion ｏf NC macｈｉｎe in Cｈiｎa waｓｉｎtroduｃed anｄ a ｓeriｅs of ｐｒobｌeｍs weｒe presｅnteｄ。

Thｅdeveｌopment trenｄｔo ＮC lathe ｗａs ｄisｃussed。

Soｍe countermeasurｅs was preｓｅntｅd ｆorｔｈe ｄevelｏｐｍenｔｏf ＮC ｍachine in China anｄｔhen the ｈeａｄsｔｏck of ＪＩFＣNC-B NCｌathe has ｂeｅn cａｌculａtｌy dｅsｉgnｅd 。

基于变频器的经济型数控车床主轴控制系统设计及参数设置

＝
＝
６ｍ，ａｒｆ转速工件直径ｄ，计算可
＝
得：
８２，＝ｎｎ（ｏｏ６）．Ｓ３Ｎｖｆ／ｏ × ０＝４５１ｍ／
Ｂ１Ｂ２
转换。～电路中，直交由ＶＳ换的直流电压转经过短路保护熔断器Ｆ加到逆变模块ＶＴ，１再通过ｓｗＭ正弦波脉宽调制驱动电路控Ｐ￣Ｖ输出频率可调的三相调制波ＵａＵｂ］ＩＴ、、Ｕ（ｌ所示）ｕ、ｗ端子。出电压的ｃ￣图２至Ｖ、输大小和频率是由改变图２的正弦参考信中号Ｕｒ幅值大小和频率调制的。动单元的制电路由制动开关管Ｖ二极管Ｄ及Ｂ、２Ｂ、Ｂ１Ｂ端子之间外接制动电阻组成，外接制动电阻的功率与阻值需根据电动机的额定电流好工作情况进行选择。
工业技术
基于变频器的经济型数控车床主轴控制系统设计及参数设置
张文炜方兵（浙江同济科技职业学院机电系浙江杭州３１３）１１２
摘要：字控钢和模拟控幸是数控系统配置的两种机床主轴控翻方式。数４由于经济型数控车床对主轴的功率．翻精度和动态响应等要控求不高，用变颠器实现主轴模拟量控削是低端数控车床的首选方式。使文章结合安川变频器在ＦＮＣＡＵ数控系统中的实际应用介绍了变频调速基本原理，控车床主轴电机及配套变频器选用原则。数变频器主轴控翻方案及实际使用时数控系统和变频器的参数谩王。关键词：数控车床变频嚣主轴模拟量控制中图分类号：Ｐ７．Ｔ２１４文献标识码：Ａ文章编号：６２７１２１）５ｂ－０４０１７－３９（０００（）０９－２随着现代机械制造业水平的发展，数１变频调速基本原理控机床普及率日益提高。控车床是数控数由异步电机理论可知，轴电机的转主机床的主要品种之一，在数控机床中占它速公式为：有非常重要的位置，直受到世界各国的一ｎ（０／）（－）＝６ｆｐＸ１ｓ普遍重视，得到了迅速的发展。轴是车并主其中Ｐ电动机的极对数，为转差率，为ｓ床构成中一个重要的部分，功率消耗约ｆ电源的频率，为电动机的转速从上式其为ｎ占机床总功率７％～８％，性能直接影响可看出，００其电机转速与频率成正比，改变频率到机床的加工效率、工材料范围、工质即可以平滑地调节电机转速。加加量等。控系统需要控制主轴的转速、数位变频器主电路如上图１所示。电路的主置，常系统的标准配置为数字主轴，有功能是把固定频率为５Ｈｚ通具０交流电转换为频控制精度高，态响应好的特点。在主轴率连续可调的三相交流电，动但主要包括交一直功率不大，控制精度和动态响应要求不电路、动单元电路及直一交电路。一直对制交是很高的情况下，字主轴就显得成本太电路中，相交流电源通过变频器的电源数三高。时可以采用数控系统的模拟主轴功接线端（ｓＴ）这Ｒ、、输入到变频器内，用整流利能。拟主轴就是数控系统输出模拟电压器Ｖ把交流电转换为直流电。模Ｓ当电容Ｃ电Ｆ信号，用普通的交流变频器和交流变频压达到基准值时，助电源动作，出直流采辅输电机来实现主轴控制，由于性价比高，经控制电压。流继电器ＭＣ获电，在直Ｃ常开触点济型数控机床中广泛应用。闭合，限流电阻ＲＦ短路，成交一直电路被完

普通车床主轴的变频调速

摘要本论文以普通车床为研究对象，对普通车床的主轴进行了变频调速的设计改造。

主要研究完成了对普通车床的工作原理进行了分析研究，简单介绍了普通车床的拖动系统及机械特性，然后重点介绍了普通车床的原拖动系统。

根据电力电子学、变频器的设计原理，采用变频器对车床进行变频调速的设计，对车床的主传动系统进行了设计和校核。

根据拖动系统的要求，对原拖动系统进行了合理的计算，并选择了合适的电动机和变频器型号。

相比原拖动由齿轮箱来传动和调速，经过变频调速改造后，车床实际应用效果良好，同时还具备了节能、容易实现对现有电动机的调速控制、可以实现大范围的高效连续调速控制、容易实现电动机的正反转切换、可以进行高频度的起停运转、可以进行电气自动。

此次的设计为企业技术人员实现普通车床的变频调速提供了有效的科学方法及参考价值。

关键字普通车床,变频器,拖动系统IAbstractThis paper in ordinary lathe as the research object, ordinary lathe spindle for the design of frequency conversion. Research on ordinary lathe work principle is analyzed, and briefly introduces the ordinary lathe drag system and mechanical properties were introduced, and then the ordinary lathe drag system. According to the design of the inverter power electronics, principle, inverter frequency of lathe, the design of the lathe main transmission system are the design and check. According to the requirement of system, the system of the reasonable calculation, and choose the right motor and converter model. Compared with the original drag to drive by gearbox, frequency conversion speed and transformed, lathe application effect is good, but also has the energy saving and easy to implement the control of existing motor, can achieve a wide range of high speed control, easy to realize for the motor and positive &negative switching, can undertake high-frequency starting and stopping operation, can undertake electrical automatic.The design for the enterprise technical personnel implementation ordinary lathe speed-adjusting provides effective scientific method and reference value.Key Word ordinary lathe, inverter, drive systemII目录中文摘要............................. ............................. (I)Abstract............................. ............................. (II)1绪论............................. ............................. .. (1)1.1变频器技术的发展史 (1)1.1.1我国变频调速技术的发展概况 (1)1.1.2 我国电气传动与变频调速技术的发展简史……………................ .11.2变频调速控制系统的优势 (2)1.3变频器技术的发展动向............................. . (3)2 普通车床主轴的变频调速............................. .. (5)2.1普通车床的主要功能与构造 (5)2.1.1普通车床的主要功能............................. . (5)2.1.2普通车床的构造............................. . (5)2.2普通车床的拖动系统............................. .. (6)2.2.1普通车床的运动系统 (6)2.2.2普通车床主拖动系统的机械特性 (6)2.2.3主拖动系统的负载功率 (7)2.2.4主拖动系统的工作特点 (7)2.2.5普通车床的原拖动系统 (7)2.3车床主拖动的变频调速系统 (8)2.3.1对变频调速系统的基本考虑 (8)2.3.2一档传动比，且错误！未找到引用源。

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车床高速主轴变频调速控制系统的设计研究
Design for Frequency Conversion and Speed Regulator of High -speed M ain -shaft in Lathe
宝鸡文理学院电气系(721007)　吴宏岐
【摘要】根据高速机床主轴的结构、特点,采用了新的产生PWM 波的器件M A818和新的控制方法,设计了一种较完善的变频调速控制系统,实现了机床高速运转的控制要求。

关键词　电主轴　高速　脉宽调制　变频
Keywords electronic main -shaft ,high -speed ,PWM ,frequency conversion
现代机械制造业向高精度、高速度、高效率的方向飞速发展,对加工机床提出了更高的要求,这就需
要具有高速运转的主轴部件系统——高速主轴单元。

目前多数高速机床主轴采用内装式主轴电机一体化的主轴单元,即所谓内装式电机主轴,简称电主轴。

它采用无外壳电机,将带有冷却套的电机定子装配在主轴单元的壳体内,转子和机床主轴的旋转部分做成一体,主轴的变速范围完全由交流电机控制,使交流电机和机床主轴合二为一。

高速电主轴调速一般采用PWM 技术,以往调速中存在着微处理器有限的运算速度与生成SPWM 信号实时性之间的矛盾,及主开关元件速度的限制使得载波频率不可能做的太高,且电压中的谐波分量较大,不利于电主轴运行。

本文采用第4代电力电子器件绝缘栅双极晶体管IGBT 作为逆变功率开关,并以可产生三相PWM 控制信号的大规模集成电路芯片MA818和80C 196KC 单片机为基础构成的电路。

使得实时产生较精确的SPWM 信号成为可能,正弦输出频率可达1kHz 输出电压可视需要在100～350V 之间任意设置,另有完善的保护功能。

系统组成及工作原理
1.控制系统组成
高速电机变频调速系统如图1
所示。

由三相全图1　系统总体框图
波整流器,IGBT 逆变功率模块构成交-直-交电压型变频器的主电路。

控制电路由80C 196KC 最小系统及
PWM 专用集成芯片M A818和驱动保护电路构成。

主电路采用IGBT 是因为它的开关频率高,正弦脉宽调制时可用较高的斩波频率来削弱输出信号中的谐波分量,减小谐波损耗。

又由于它输入阻抗高,栅极所需驱动功率甚小,从而可以使变频器结构大为简化,可靠性提高。

采用英国M arconi 公司生产的MA 818,它是一种通用的可编程微机控制外围芯片,虽然它必须和微处理器配合使用,但微机介入程度很低,它本身功能强大,用于控制IGBT 非常合适,80C 196KC 是控制系统的核心,它接收来自外部的控制信息,按预定算法实时计算三相SPWM 波形数据,并定时送给M A818控制其产生三相逆变所需的6路SPWM 信号,再经驱动电路驱动逆变功率开关完成三相SPWM 的逆变。

驱动电路采用所选用逆变功率开关IGBT 配套的混合专用集成电路EXB841驱动模块,由于其抗干扰能力强、集成化程度高,速度快及保护功能完善,可实现IGBT 最优控制。

2.工作原理
M A 818本身是一个能独立工作的微处理器。

在工作之前,先由80C 196KC 送来3个8位初始化命
令,用于设定开关频率,最高调制频率,互锁推迟时间和最小脉冲宽度。

随后,再送来3个8位控制命令,用来设定调制频率,调制深度(输出电压)、相序等M A818开始独立工作,输出三相6路符合要求的SPWM 控制信号。

M A 818采用SPWM 规则采样法产生三相正弦脉冲调宽信号。

它内部具有一个地址发生器和一个输入数据缓冲器,能从外部微机系统中PROM /EPROM 中直接读取用户要求定义的各种精确的、用于产生SPWM 脉冲序列的调制波形,并与三角载
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11・《新技术新工艺》・机械加工与自动化　2001年　第8期
波比较,从而产生所需要的SPWM 波形。

在调制波形的正半周(0°～180°),波形被分割为768个8位采样值进行存贮,幅值范围为0～255。

768个采样值从0°～180°按线性增长,其角度分辨率为0.23°。

在调制波形的负半周(180°～360°),M A 818对0°～180°内的768个采样值取反,从而得到全360°的调制波形。

768个采样值分成1536个4位采样值存贮,其中低4位部分分别存贮在0000H ～0300H 单元中,高4位部分分别存贮在0400H ～0700H 单元中,MA 818自动读取这两部分;并在内部拼成一个8位采样值。

这样,MA818只需4根数据线即可完成从外部PROM /EPROM 中读取采样值。

系统设置的过流、过压、超温等保护功能,其保护系统的输入脚接至封锁控制脚(SET TRIP),当任一保护起作用时,此脚为高电平,6个PWM 输出将被迅速地锁存在低电平状态,使逆变器中IGBT 关断。

系统软件设计
本系统采用一种实时计算与查表相结合的新颖控制方法。

三相脉宽数据由主程序计算并按一定格式存入缓冲区,其计算不受开关周期的时间限制。

查表及向M A 818送数则由定时中断服务程序完成,整个软件由3部分组成;主程序,定时中断服务程序及外部中断服务程序,如图2为主程序流程图。

图2　主程序流程图
主程序通过I /O 口对数字信息采集、制定控制策略,根据频段选择载波比R ,实时计算开关周期T R 和三相SPWM 脉宽数据,并按最便于查取的格式在RAM 缓冲区中生成数据表格(一个正弦周期的脉冲序列)供软中断程序查取。

除故障保护以外所有控制信息均包含在R ,T R 及脉宽数据中。

A /D 的转换采用查询法,以
避免中断嵌套引入SPWM 波形的相位偏移。

软定时中断服务程序每T R 中断一次,从缓冲区中查表得到三相脉宽数据并送MA818,同时启动计数器运行,外部中断服务程序进行故障处理,一旦有故障引起中断,立即封锁MA 818,然后扫描中断源,判断何源引起的中断并作相应处理及显示故障性质。

系统保护
采用IGBT 的专用混合集成驱动电路EXB 841,它具有完善保护功能。

其内部集成有快速光电耦合器以实现控制部分与主电路的隔离;同时其内部还有过流检测和过流软关断电路,可实现对IGBT 的过电流保护。

其过流保护是利用IGBT 在过电流时通态管压降急剧上升的特性,通过外接快速二极管检测IGBT 的通态电压,在管子导通时管压降过高;保护电路动作。

利用该电路还可对IGBT 欠饱和进行保护。

在保护时采用软关断电路慢速关断IGBT ,其原因是为防止过快关断,由于电路电感的存在而产生过高的电压尖峰损坏IGBT 。

此外,在逆变器主回路的每个桥臂各并联一个无感电容以吸收IGBT 关断时的电压尖峰。

为了保证逆变器和所带电机更安全可靠地工作,在电路中还设有过压、欠压、散热器过热等保护环节。

过压和欠压保护都是将运算放大器。

接成比较器的形式,将实际值与给定值比较,比较结果经光电耦合隔离后送单片机处理。

过压信号取自3个全波整流后的直流,欠压保护信号取自三相交流电源。

散热器的过热保护是通过集成温度传感器AD 590温度信号转变为电信号,经与给定值比较后送单片机。

结　语
本文所介绍的高速车床变频高速系统,由于采用IGBT ,80C196KC 及专用芯片MA 818,系统结构简单、可靠性高,逆变电路输出波形为纯正弦波,谐波分量小,有利于高速车床的电主轴运行。

参考文献
1.吴守箴,臧英杰著.电气传动的时宽调制控制技术.北京:机械工业出版社,1995,1
2.陈其工.IG BT 的驱动与保护技术在SPW M 变频器中的应用.电力电子技术,1998(5)
3.臧新村等.高速电主轴用SP WM 变频器.轴承,1997(7)
4.谭建成.电机控制专用集成电路.北京:机械工业出版社,1997,8
责任编辑　黄进平
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12・《新技术新工艺》・机械加工与自动化　2001年　第8期。